基于電容與磁復合的裝甲目標近程探測方法

宋承天，焦永暉，劉向，趙宏宇

(1.北京理工大學 機電學院，北京 100081；2.戰略支援部隊 航天系統部后勤部，北京 100089)

0 引言

隨著坦克反應裝甲防護能力的不斷提高，為對坦克造成有效毀傷，配用串聯戰斗部的反坦克彈藥逐漸被應用，其結構形式主要有破甲-破甲式、穿甲-破甲式與彈出式等[1]。串聯戰斗部應用中存在的主要問題是，由于反應裝甲形成的爆轟具有一定持續時間，主級戰斗部引信的延期時間應大于這一時間，才能使反坦克彈藥主級戰斗部形成的射流避開反應裝甲爆轟而發揮最大效能。現有反坦克彈藥采用壓電引信由于作用距離太近滿足不了要求，需要配用近炸引信提高前級戰斗部引信的作用距離。

應用于反坦克導彈的近炸引信，關鍵在于低伸彈道環境下實現精確定距。無線電引信易受地面雜波影響，且無線電引信定距精度難以滿足反坦克彈前級引信起爆距離控制要求。激光引信具有指向性強、定距精度高的優勢，但戰場環境中的自然煙塵與人工煙幕干擾，使激光引信定距精度和作用可靠性受到很大影響。

電容探測技術具有炸高控制精度高、抗電磁環境干擾能力強的特點，且不受戰場煙塵、人工煙幕等影響[2-6]；磁探測利用目標磁場分布信息，根據磁場變化規律實現對鐵磁目標探測與識別[7-8]。

傳統單一體制探測方式很難滿足復雜戰場的探測需求，引信正朝著靈巧化、智能化方向發展，多模復合探測技術將是引信靈巧化、智能化發展的主要方向之一。

本文結合電容與磁探測體制[9]，研究電容與磁復合探測原理與方法，磁探測用于對裝甲鐵磁目標的探測與識別，電容探測用于反應裝甲的前向精確定距，優勢互補實現低伸彈道條件下對裝甲目標的精確探測、識別與定距。

1 電容探測原理與仿真

1.1 電容探測原理

電容探測通過感知探測器周圍建立的靜電場變化來獲取目標信息，其探測原理如圖1所示，其中：V(t)為在探測器電極表面施加的正弦波信號，通過電阻R與探測電極相連，無目標時探測器電極表面電荷量維持不變；i(t)為與電極相連支路電流；V為電壓幅值；ω為驅動電壓頻率；GND為信號地。當目標進入電容探測器的靜電場范圍內時，目標表面的電荷與探測器電極表面的電荷相互作用，造成探測器電極與目標間的等效電容發生變化，根據此電容變化特征量實現目標探測和定距[10]。

電容探測器的電容表示為

(1)

式中：Qo(t)、Qt(t)分別為電極表面電荷、目標電荷；Co、Ct分別為探測器固有電容、探測器與目標間互電容。

由(1)式可以看出，當目標進入探測器靜電場范圍內造成等效電容Co發生變化，可設計兩種電容目標探測方法。一是雙電極互電容探測方式，如圖2所示(圖2中ΔC為彈體與目標(簡稱彈目)交會過程中極間電容的變化量)，彈目接近時的電容改變引起正弦波信號幅度變化，通過幅度檢波提取此變化信息實現目標探測與定距。此方法探測距離近，通過電極布置優化后探測距離可達到1 m.二是單電極自電容探測方式，如圖3所示，單一電極完成發射和接收，彈目接近導致電容變化引起與電極相連電路信號的相位改變，提取此變化實現目標探測與定距。此方法探測距離較遠，通過合理的電極布置和電路設計，探測距離可達到2 m以上，能滿足對抗四代反應裝甲探測距離要求。

圖2 雙電極電容探測實現框圖

圖3 單電極電容探測實現框圖

1.2 電容探測靈敏度仿真

彈目接近過程中的電容變化幅度很大程度取決于電容探測器的電極分布。

1.2.1 雙電極探測模型

對于雙電極探測模型，在引信體上布置兩個電極(引信的高度為50 mm，半徑為30 mm)，仿真模型如圖4所示。

圖4 優化前后雙電極布置模型

改變電極A與B的高度、半徑及形狀能增大彈目間的等效電容及其變化幅值。通過仿真分析選擇確定最優電極分布為圖4(b)所示。優化前與優化后等效電容對比如圖5(a)所示，優化后的電極分布有效提高了電容變化幅值。優化前后電容增量的歸一化計算結果如圖5(b)所示，電容變化量最大可提高18%。

圖5 優化前與優化后等效電容及幅值增量百分比

同時，引信需要在不同交會角度條件下保證作用距離一致，按照圖4電極布置方式，進行不同彈目交會角度條件下探測器電容變換幅度仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6 不同著角條件下電容變化

由圖6可看出，不同交會角度，電容幅度變化趨勢及相對變化量一致，利用此方法的電容探測器對于不同交會角度具有普遍的適用性與一致性。

1.2.2 單電極探測模型

單電極探測模型將整個彈體作為電極(仿真時取彈體長度為380 mm、半徑為60 mm建立模型)，如圖7所示。

圖7 單電極布置模型

通過對單電極前向攻擊和掠頂攻擊交會過程仿真，得到電容幅值變化百分比曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，在兩種典型的交會角度條件下，在距離目標2 m左右，利用此方法的電容變化量明顯，可實現目標探測與定距。

圖8 單電極探測的電容變化率

1.3 電容探測電路

1.3.1 雙電極探測電路

設計雙電極電容探測器的探測電路如圖9所示，包括C/V轉換電路和檢波電路。圖9中：CAB為探測電極A和B間的等效電容；CAP為探測電極A與彈體間的等效電容；CBP為探測電極B與彈體間的等效電容；Vi(t)為探測器電極表面施加的正弦波信號；Vd(t)為彈目交會過程中檢波二極管所檢測的電壓信號；Vo為輸出檢波電壓；R2為旁路電阻，主要起電壓放大作用；R1、R3為偏置電阻，其作用是使檢波電路穩定工作；Qt為三極管；Dd為檢波二極管。

圖9 雙電極電容探測電路

C/V轉換電路的輸出如(2)式所示：

(2)

檢波采用自動鉗位補償的三極管檢波電路，其中Cf為濾波電容，三極管放大倍數取90～110之間。振蕩正半波時，Cf通過Dd給電阻R1放電，以達到充放電平衡提供穩定的檢波輸出。

基于圖9所示探測電路，進行圖4所示不同電極布置下的電容探測檢波輸出仿真，結果如圖10所示，可見改進電極分布后的檢波電壓變化量平均提升了3.625%，最高可提高16%，有效提高了探測距離。

圖10 檢波電壓及其變化量與目標距離關系

1.3.2 單電極探測電路

為有效提取單電極模型的微弱電容變化信息進行較遠距離探測與定距，設計如圖11所示的電路完成電容電壓轉換和放大調理，得到反映距離信息的輸出電壓，經A/D采樣后由微處理器處理。電路主要分為感應支路和參考支路，感應支路中電容Ci發生變化時，其支路電壓也隨之發生變化，參考支路中的C2參數固定，兩個支路中由于目標接近引起的相位差異被差分放大提取后得到Vo=f(Ci)。圖11中：Vd為驅動電源；Vi為感應電壓；Vr為參考電壓；Cr為參考電容；U1、U2、U3為經過運算放大器的放大電壓；R4為差分放大電路中的輸入電阻；R5、R6為反饋電阻；Cs、Cf為隔直電容。

圖11 單電極電容探測電路

圖8中電容變化值作為Ci對圖11電路進行仿真，得到輸出電壓Vo如圖12所示。

圖12 不同交會角度條件下的探測電路輸出電壓

由圖12可看出，設計的探測電路可有效提取目標接近中的電容變化信息，2 m左右距離處的電壓變化幅度能滿足信號處理及距離判決需要。

1.4 電容探測信號處理

單、雙電極電容探測器輸出的都是隨目標距離變化的電壓變化信息，因此信號處理方式可一致。探測器輸出的電壓變化信息經放大后(雙電極探測進行反向放大)，按照10 kHz頻率采樣后由微處理單元處理。目標識別部分設定的目標符合準則主要有(n表示當前A/D采樣時刻)：

1)Un>Un-1；

2)Un-Un-1=ΔUn

3)Δ(ΔUn)>0.

要實現作用距離恒定，必須識別交會角度[11]。經對坦克目標特性仿真與測試可知，最強和最弱的目標電壓分別為68°和0°角度時，其他角度目標信號介于二者之間。若Hα是著角為α的炸高，H0是著角為0°的炸高，則Hα≈H0/cosα.把0°～68°間的角度分成4組，使每組內各角度以中心角度為中心炸高散布小于±15%，分組結果如表1所示。

表1 交會角度分組

以Ⅰ組和Ⅱ組為例說明，給出30°和48°兩種角度時目標特性曲線，在距離軸上平移使電壓為U時2條曲線在點J處重合，如圖13所示。在48°曲線上選定點A1，對應電平為U1，從點J處開始計時，設彈丸從點J運動到點J1的時間為Δt：若在t<Δt內目標電壓出現大于U1的情況，則交會角度為30°，當目標電壓出現時給出啟動信號；若在t<Δt內沒有出現目標電壓大于U1的情況，則交會角度為48°，當目標電壓出現時給出啟動信號；這樣就保證了兩種角度情況下作用距離保持一致。只要恰當設計Δt、U1及啟動電壓閾值，就可以保證在0°～68°角度范圍內的作用距離一致。

圖13 距離軸平移后的目標特性曲線

2 磁探測原理與仿真

2.1 磁探測原理

裝甲車輛由于自身的金屬材料會引起周圍磁場的變化，利用磁傳感器獲取磁場變化情況可對坦克目標進行探測與識別[12-13]，如圖14所示。為了簡化分析，將坐標點p0(x0,y0,z0)的磁目標等效為磁偶極子[10]。其中，p0點的矢量磁矩可表示為

圖14 磁偶極子探測模型

Mp0=Mx0+My0+Mz0，

(3)

則p點處的矢量磁勢和磁場可分別描述為

(4)

(5)

點p處的空間磁場強度分量可以根據以下公式計算：

(6)

從(6)式可看出，目標上任意一體積元周圍的磁場是該體積元各分量的線性組合，并且磁場強度與目標體積元的矢量距離5次方呈反比。磁傳感器根據探測空間各方向的磁場強度變化，是否與目標特性一致實現對目標的探測與識別。

2.2 磁探測仿真與測試

2.2.1 磁探測仿真

獲取準確的磁場信息是磁探測成功的關鍵，為驗證建模的合理性和方案的可行性，利用69式坦克進行建模分析，仿真在距離地面高度不同情況下3軸方向的磁場強度，結果如圖15所示。從圖15中可以看出，在距地面不同高度時，磁場強度都在距目標2～4 m位置時有較大幅度變化，可滿足反坦克導彈低伸彈道應用要求。

圖15 磁場強度仿真

本文采用靈敏度高、功耗低、體積小、易集成的隧道磁阻(TMR)傳感器設計磁探測系統，其采用3軸推挽式惠斯通全橋結構，在3個坐標軸方向提供差分電壓輸出，圖16列出了TMR傳感器的輸出隨外加場強變化的特性曲線。

圖16 TMR傳感器輸出特性

用基于TMR傳感器設計的硬件系統進行推板實驗，結果如圖17和圖18所示。

圖17 磁探測3軸電壓

圖18 磁探測綜合電壓

2.2.2 磁探測測試

3 電容與磁復合探測

本文研究電容與磁復合應用于低伸彈道環境下反坦克彈藥進行坦克的探測與識別，選擇串行復合工作方式[14]，磁探測先工作，起預警作用，而后啟動電容探測進行高精度定距合理控制復合引信的炸點，復合探測體制的原理框圖如圖19所示，其中電容探測采用雙電極互電容探測體制。電容探測系統首先調整振蕩器的工作電壓，通過單片機D/A輸出直流電壓經放大后作為振蕩器電源。檢波器對振蕩信號幅度檢波后經A/D變化輸入單片機，單片機軟件判斷檢波電壓是否處于正常工作范圍，若不在正常范圍，則調整D/A輸出控制振蕩幅度，然后繼續采集檢波信號并進行判斷，重復該過程直至電容探測的檢波電壓處于設定范圍內。電容探測振蕩調整結束后，磁探測開始獲取探測器周圍磁場強度，通過A/D變換輸入單片機，軟件對3軸磁場強度信號進行處理，判斷探測器周圍是否有鐵磁目標，若判斷結果“無目標”狀態，重新采集磁場信息直至接近目標滿足磁特性閾值要求，磁探測系統探測到目標后(一般探測距離為4 m處)，電容探測開始工作，檢波信號先經調理電路處理，再由A/D變化進行軟件濾波以及距離識別與炸點判斷，若檢波信號符合目標識別準則，則引信輸出起爆信號。

復合引信硬件采樣速率參數需考慮所搭載的反坦克導彈，其末彈道彈速在100 m/s左右，本文設計硬件采樣頻率為10 kHz，即0.1 ms采樣一次，也就是彈體每飛行1 cm進行一次采樣。為提高系統的準確性和魯棒性，本文提出基于狀態機的目標識別算法，算法狀態探測數據皆進行連續4次采樣對比處理，一是為有效控制探測精度及其他微小目標干擾，二是4次采樣時間彈丸飛行4 cm左右，在定距精度0.2 m要求的控制范圍內。

復合探測輸出有5種狀態，包括無目標出現、疑似目標出現、發現目標、疑似起爆位置、達到起爆位置，分別用NT、ST、TA、SP、AP表示。狀態機狀態轉換圖如圖20所示，其中：t0mv,…,t4mv表示磁場場強變化量符合閾值的次數；t0mr，…，t4mr表示磁場變化率符合閾值要求的次數；t0dv，…，t4dv表示檢波電壓變化量符合閾值要求的次數；t0dr，…，t4dr表示檢波電壓變化率符合閾值要求的次數。

引信系統狀態機中各狀態之間的相互轉換由識別準則決定。根據坦克目標特性與低伸彈道下可能出現的干擾物特性，提取系統特征量，包括磁場強度變化量、磁場強度變化率、檢波電壓變化量、檢波電壓變化率，分別設定對應閾值。

結合引信系統串行復合方式，設計如下目標識別準則：1)探測系統首先啟動磁探測模式，若探測磁場小于磁場變化量閾值，則表明目標尚未出現，探測系統保持“NT”狀態；2)當磁場變化量大于初始磁場的20%且連續4次探測皆滿足此條件，則引信系統轉換為“ST”狀態；3)當系統判定為“ST”狀態后，系統進行磁場變化率的檢測，若變化率連續4次滿足設定閾值，則系統狀態變為“TA”狀態，否則保持當前狀態，同時，如果此時磁場強度變化量小于磁場強度變化量閾值，引信系統狀態變為“NT”；4)當系統被判定為“TA”狀態后，表明目標出現，開始比較檢波電壓變化量與所設定變化閾值的大小。若檢波電壓變化量連續4次大于閾值，則復合引信進入“SP”狀態，根據磁場強度只會越來越大的規律，對磁場強度變化率進行檢測，避免磁探測系統錯誤預警；5)引信系統進入“SP”狀態后，開始分析檢波電壓變化率。當檢波電壓變化率連續符合所設定閾值要求4次時，表明彈丸已飛行至預設炸點，系統狀態變為“AP”，引信輸出起爆信號。

4 復合探測實驗

應用雙電極互電容探測體制與磁探測體制，設計基于狀態機目標識別算法的復合引信樣機(見圖21)，進行靜態推板、抗干擾性能、動態模擬飛行等3種實驗對樣機進行測試。

圖21 復合引信樣機

4.1 靜態推板實驗

搭建實驗場景，以69式坦克為目標驗證復合引信樣機作用距離，場景如圖22所示，其中，E為引信樣機與坦克車輛之間的電場分布，B為坦克周圍的磁場分布。

圖22 復合引信探測實驗場景

實驗時將引信樣機逐漸向目標勻速移動，樣機連接NI 6251數據采集裝置采集樣機輸出的3路信號：磁探測信號、電容探測信號、樣機起爆輸出信號，并通過上位機記錄數據。進行對坦克前向和側向測試，實驗結果分別如表2和表3所示，起爆距離在1 m±0.2 m范圍內。

表2 前向探測起爆距離

表3 側向探測起爆距離

4.2 抗干擾性能實驗

為驗證復合引信樣機在低伸彈道環境下的抗干擾性能，建立圖23所示的環境進行實驗，將鐵皮干擾物和土堆分布在距目標一定距離處，鐵皮模擬磁場干擾物，土堆模擬電容干擾物。

圖23 復雜干擾環境實驗場景

實驗時，探測器在距目標10 m處以1 m/s速度勻速靠近目標，得到的電容、磁目標特性曲線及識別結果分別如圖24和圖25所示。

圖24 電容探測實驗結果

圖25 磁探測實驗結果

由圖24和圖25可看出：面對鐵磁干擾物，磁場強度會有明顯的變化趨勢，但是根據目標識別準則，可有效排除鐵磁干擾物的干擾，在距目標2～4 m內可對鐵磁目標進行有效檢測；同時電容探測在距目標0.9～1.1 m距離范圍時可輸出起爆信號。

4.3 動態模擬飛行實驗

采用火箭橇推動復合引信樣機進行了動態模擬飛行實驗，火箭推動樣機的飛行速度達到100 m/s左右，實驗場景如圖26所示，其中標桿1距離目標0.8 m，標桿2距離目標1.2 m.在火箭上裝有標識引信輸出起爆信號的指示燈，用高速相機記錄指示燈亮時復合引信頭部在標桿1和標桿2中的位置進行作用距離判讀。

圖26 動態實驗場景

進行4次動態模擬飛行測試實驗，結果如表4所示，起爆距離也都控制在1 m±0.2 m范圍內。

表4 動態模擬飛行實驗數據

通過靜態、動態及抗干擾測試實驗結果可以看出，結合狀態機算法的電容/磁復合探測可解決低伸彈道下局部干擾問題，實現對坦克及裝甲目標1 m±0.2 m距離的精確探測。

5 結論

本文針對復雜戰場環境下反坦克彈藥對抗反應裝甲需求，提出了一種串聯結構的電容/磁復合探測體制，實現對坦克目標的精確探測與定距，同時提升引信的抗干擾能力。得出以下主要結論：

1)通過對雙電極探測電極分布優化，提升了電容探測的定距精度，通過理論分析和仿真實驗，驗證在1 m范圍內可做到精確定距。利用磁傳感器及相應的信號判別系統，可實現在2～4 m范圍內對坦克鐵磁目標的有效識別。設計了基于狀態機的目標識別準則與復合引信樣機，開展了靜態與動態實驗，結果表明復合探測可解決低伸彈道條件的干擾，實現對坦克目標1 m±0.2 m距離內的精確定距。

2)引入單電極自電容探測模型，利用彈體作為單一電極增大電容探測面積提高探測距離，仿真結果表明探測距離可達到2 m以上。同時，其電壓變化幅值及變化率與雙電極探測方法相近，應用本文的信號處理方法定距精度可達到±0.2 m，后續將進一步進行彈體結構兼容設計、引信樣機設計實現與實驗驗證研究。

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